Химический элемент

Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.

Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества (одноэлементные)

История становления понятия

Слово «элемент» (лат. elementum) использовалось еще в античности (Цицероном, Овидием, Горацием) как часть чего-то (элемент речи, элемент образования и т. п.). В древности было распространено изречение «Как слова состоят из букв, так и тела — из элементов». Отсюда — вероятное происхождение этого слова: по названию ряда согласных букв в латинском алфавите: l, m, n, t («el» — «em» — «en» — «tum»).

Близкое к современному пониманию понятие химического элемента отражала новая система химической философии, изложенная Робертом Бойлем в книге «Химик-скептик» (1661). Бойль указал, что ни четыре стихии Аристотеля, ни три принципа алхимиков не могут быть признаны в качестве элементов. Элементы, согласно Бойлю — практически неразложимые тела (вещества), состоящие из сходных однородных (состоящих из первоматерии) корпускул, из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Корпускулы могут различаться формой, размером, массой. Корпускулы, из которых образованы тела, остаются неизменными при превращениях последних.

Символы химических элементов по Дж. Дальтону: 1 — водород; 2 — магний; 3 — кислород; 4 — сера; 5 — аммиак; 6 — диоксид углерода

В 1789 г. Антуан Лоран Лавуазье в «Элементарном курсе химии», приводит первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых тел), разделённых на несколько типов. Он впервые отождествляет с химическими элементами ряд простых веществ (в их числе, кислород, азот, водород, сера, фосфор, уголь и все известые к тому времени металлы). В число элементов были включены свет, теплород и «солеобразующие землистые вещества» (трудноразлагаемые оксиды кальция, магния и др.). Данную концепцию элементов принято называть эмпирико-аналитической, поскольку Лавуазье избрал критерием определения элемента опыт и только опыт, категорически отвергая любые неэмпирические рассуждения об атомах и молекулах, само существование которых невозможно подтвердить экспериментально.

Благодаря Джону Дальтону в начале XIX в. в химии возобладала атомно-молекулярная гипотеза, рассматривающая химический элемент как отдельный вид атомов и указывающая на природу простых и сложных веществ, как состоящих, соответственно, из атомов одного или различного видов. Дальтон же впервые указывает на атомный вес как важнейшее свойство элементов, определяющее его химическую природу. Благодаря усилиям Йенса Берцелиуса и его последователей были весьма точно определены атомные веса (атомные массы) известных элементов. Середина XIX в. ознаменовалась целым рядом открытий новых элементов. На международном съезде химиков в г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.

Ko времени открытия Периодического закона Д. И. Менделеевым (1869) было известно 63 элемента. Именно атомный вес был выделен им как свойство атомов, определяющее периодический характер изменения свойств химических элементов, а также образуемых ими простых и сложных веществ. Менделеев определял химические элементы как «материальные части простых или сложных тел, к-рые придают им известную совокупность физических и химических свойств». Oткрытие Mенделеева позволило предвидеть существование, a также свойства ряда неизвестных в то время элементов и послужило научной основой для их классификации.

Однако с открытием изотопов стало ясно, что различные совокупности атомов одного и того же элемента могут иметь различающиеся атомные массы; так, радиогенный гелий, выделенный из урановых минералов, в связи с преобладанием изотопа ⁴He имеет атомную массу больше, чем гелий космических лучей.

Современное понимание химического элемента как совокупности атомов, характеризующихся одинаковым положительным зарядом ядра, равным номеру элемента в Периодической таблице, появилось благодаря фундаментальным работам Генри Мозли (1915) и Джеймса Чедвика (1920).

Известные химические элементы

На вторую неделю апреля 2010 года известно 118 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые — лишь в следовых количествах), остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций. Информацию об ещё не открытых химических элементах Вы можете посмотреть в Википедии по запросу: Расширенная периодическая таблица элементов.

Первые 112 элементов имеют постоянные названия, остальные — временные.

Открытие 112-го элемента (самый тяжелый из официальных) признано Международным союзом теоретической и прикладной химии (en:International Union for Pure and Applied Chemistry). Самый стабильный из известных изотопов данного элемента имеет период полураспада 34 секунды. В феврале 2010 года ему официально присвоено имя коперниций, был впервые синтезирован в феврале 1996 года на ускорителе тяжелых ионов в Институте тяжёлых ионов (нем. Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI) в Дармштадте, Германия (в результате бомбардировки свинцовой мишени ядрами цинка). Первооткрыватели имеют полгода, чтобы предложить новое официальное название для добавления в таблицу (ими уже предлагались Виксхаузий, Гельмгольций, Венусий, Фриший, Штрассманий и Гейзенбергий). В настоящее время известны трансурановые элементы с номерами 113—118, полученные в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, однако они официально пока не признаны. Для закрепления за химическим элементом имени необходимо его получение в нескольких лабораториях.

Символы химических элементов

Символы химических элементов используются как сокращения для названия элементов. В качестве символа обычно берут начальную букву названия элемента и в случае необходимости добавляют следующую или одну из следующих. Обычно это начальные буквы латинских названий элементов: Cu — медь (cuprum), Ag — серебро (argentum), Fe — железо (ferrum), Au — золото (aurum), Hg — ртуть (hydrargirum). Такая система химических символов была предложена в 1811 г. шведским химиком Я. Берцелиусом.

Цифрами меньшего размера возле символа элемента обозначаются: слева вверху — атомная масса, слева внизу — порядковый номер, справа вверху — заряд иона, справа внизу — число атомов в молекуле:

атомная масса		заряд иона
	Символ элемента
порядковый номер		число атомов в молекуле

Примеры:

• $~\mathrm{H_2}$ — молекула водорода, состоящая из двух атомов водорода
• $~\mathrm{Cu^{2+}}$ — ион меди с зарядом 2+
• 126C — атом углерода с зарядом ядра, равным 6 и атомной массой, равной 12.

Временные символы элементов состоят из трёх букв, представляющих аббревиатуру их атомного номера на латыни.

В Периодической таблице карточка химического элемента обычно включает следующие характеристики:

• 1 — обозначение химического элемента.
• 2 — русское название.
• 3 — порядковый номер химического элемента, равный количеству протонов в атомном ядре.
• 4 — атомная масса: среднее значение атомной массы устойчивых изотопов в земной коре или атомная масса наиболее долгоживущего изотопа (для радиоактивных элементов)
• 5 — распределение электронов по энергетическим уровням.
• 6 — электронная конфигурация.

Распространённость химических элементов в природе

Распространённость химических элементов в земной коре (% масс.) – кларковые числа

Из всех химических элементов в природе найдено 88; такие элементы, как технеций Tc (порядковый номер 43), прометий Pm (61), астат At (85) и франций Fr (87), а также все элементы, следующие за ураном U (порядковый номер 92), впервые получены искусственно. Некоторые из них в исчезающе малых количествах обнаружены в природе.

Из химических элементов наиболее распространены в земной коре кислород и кремний. Эти элементы вместе с элементами алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород и титан составляют более 99 % массы земной оболочки, так что на остальные элементы приходится менее 1 %. В морской воде, помимо кислорода и водорода — составных частей самой воды, высокое содержание имеют такие элементы, как хлор, натрий, магний, сера, калий, бром и углерод. Массовое содержание элемента в земной коре называется кларковым числом или кларком элемента.

Содержание элементов в коре Земли отличается от содержания элементов в Земле, взятой как целое, поскольку химсоставы коры, мантии и ядра Земли различны. Так, ядро состоит в основном из железа и никеля. В свою очередь, содержания элементов в Солнечной системе и в целом во Вселенной также отличаются от земных. Наиболее распространённым элементом во Вселенной является водород, за ним идёт гелий. Исследование относительных распространённостей химических элементов и их изотопов в космосе является важным источником информации о процессах нуклеосинтеза и об эволюции Солнечной системы и небесных тел.

Химические элементы как составная часть химических веществ

Химические вещества могут состоять как из одного химического элемента (простое вещество), так и из разных (сложное вещество или химическое соединение).

Химические элементы образуют около 500 простых веществ. Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией.

В обычных условиях 11 элементов существуют в виде газообразынх простых веществ (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Kr, Xe, Rn), 2 — жидкости (Br и Hg), остальные элементы образуют твёрдые тела.

См. также

• Список химических элементов
• Хронология открытия химических элементов
• Периодическая система химических элементов
• Нуклид
• Изотоп

Ссылки

• Kедров Б. M. Эволюция понятия элемента в химии. M., 1956
• Химия и Жизнь (Солтеровская химия). Ч.1. Понятия химии. М.: изд-во РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1997
• Азимов А. Краткая история химии. СПб, Амфора, 2002
• Бедняков В. А. «О происхождении химических элементов» Э. Ч. А. Я., Том 33 (2002), Часть 4 стр.914-963.